pełny tekst - Prace Instytutu Elektrotechniki

Michał KRYSTKOWIAK
Adam GULCZYŃSKI
MODEL SYMULACYJNY I EKSPERYMENTALNY
PRZEKSZTAŁTNIKA SOLARNEGO
WSPÓŁPRACUJĄCEGO Z SIECIĄ ENERGETYCZNĄ
STRESZCZENIE
W artykule zaprezentowano strukturę przekształtnika pełniącego funkcję sprzęgu między siecią energetyczną prądu
przemiennego a źródłem energii odnawialnej – panelami fotowoltaicznymi (PV).
Opisywane rozwiązanie odznacza się wysokim współczynnikiem sprawności,
przy jednoczesnym zachowaniu bardzo dobrych parametrów jakościowych
przekształcanej energii. W wyniku zastosowania falownika sieciowego pracującego w regulacji nadążnej prądu osiągnięto prąd sieciowy o małej
zawartości niepożądanych harmonicznych i teoretycznie zerowej mocy biernej.
Ze względu na sposób funkcjonowania ogniw fotowoltaicznych, których wydajność zależy nie tylko od panujących warunków atmosferycznych, ale również
i od sposobu obciążenia, szczególną uwagę zwrócono na zaimplementowany
algorytm MPPT. Jego zadaniem jest zapewnienie takiego punktu pracy ogniwa PV, aby podążać za punktem mocy maksymalnej zależnie od warunków
pracy systemu. Przedstawiono również wybrane wyniki badań.
Słowa kluczowe: ogniwa PV, falownik, BOOST, algorytm MPPT
DOI: 10.5604/00326216.1210755
1. WSTĘP
W artykule zaprezentowano część silnoprądową oraz sterującą opracowanej
struktury przekształtnika energoelektronicznego pełniącego funkcję sprzęgu między
siecią energetyczną prądu przemiennego a źródłem energii odnawialnej (OZE). W analizowanym przypadku źródłem tym jest zespół paneli fotowoltaicznych (PV). Przedstawiono m.in. zaimplementowany algorytm MPPT (Maximum Power Point Tracking),
umożliwiający osiągnięcie maksymalnej efektywności całego systemu.
dr inż. Michał KRYSTKOWIAK, mgr inż. Adam GULCZYŃSKI
e-mail: [email protected], [email protected]
Politechnika Poznańska, ul Piotrowo 3a, 60-965 Poznań
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, ISSN-0032-6216, LXIII, zeszyt 273, 2016
96
M. Krystkowiak, A. Gulczyński
Ponadto, w celu zapewnienia wysokiej jakości parametrów energii oddawanej
do sieci, zastosowano falownik tranzystorowy o sinusoidalnym prądzie wyjściowym,
który umożliwia jednocześnie stabilizację napięcia na szynie stałoprądowej DC systemu.
W artykule zaprezentowano także zbudowany na bazie przeprowadzonych
wcześniej badań symulacyjnych model eksperymentalny opisywanego przekształtnika
z uwzględnieniem sposobu emulacji pracy ogniwa fotowoltaicznego, która umożliwiła
wstępną ocenę poprawności funkcjonowania zaimplementowanego algorytmu MPPT.
2. SCHEMAT BLOKOWY I OGÓLNA IDEA DZIAŁANIA
SYSEMU PRZETWARZANIA ENERGII SOLARNEJ
Schemat blokowy opracowanego systemu umożliwiającego przekazywanie
(i przekształcanie) energii z zespołu paneli fotowoltaicznych do sieci energetycznej
prądu przemiennego zaprezentowano na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat blokowy systemu przekształcania i przesyłu energii solarnej
Możemy wyróżnić w tym przypadku następujące bloki, a mianowicie:
 zespół paneli fotowoltaicznych PV,
 sieć energetyczną prądu przemiennego,
 bloki przekształtnika energoelektronicznego pełniącego funkcję sprzęgu DC/AC,
w skład którego wchodzą:
- przekształtnik DC/DC typu BOOST,
- obwód pośredniczący DC/DC,
- blok przekształtnika sieciowego DC/AC (falownik sieciowy).
W rozważanym przypadku założono wykorzystanie zespołu paneli fotowoltaicznych
o zakresie zmienności napięcia wyjściowego (zależnego m.in. od temperatury, stopnia
obciążenia oraz natężenia padającego światła słonecznego) od 150 do 450 V. Przykładową rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych zespołu ogniw fotowoltaicznych
PV przedstawiono na rysunku 2 [1]. Jak z nich wynika, moc uzyskiwana z baterii
słonecznej jest zależna w dużym stopniu od sposobu obciążenia. W konsekwencji
istnieje taka wartość napięcia i prądu, dla których moc uzyskiwana ze źródła energii
odnawialnej jest maksymalna (tzw. punkt mocy maksymalnej – rys. 2). Z tego też
powodu, w celu zapewnienia optymalnych warunków pracy całego systemu, w układzie
sterowania przekształtnikiem DC/DC należało zaimplementować algorytm MPPT. Jego
zadaniem jest zapewnienie takiego punktu pracy ogniwa, aby podążać za punktem mocy
maksymalnej zależnie od aktualnych warunków pracy systemu (m.in. temperatury
otoczenia, natężenia padającego światła słonecznego). Opracowany i zaimplementowany algorytm MPPT [2, 3] przedstawiono w dalszej części artykułu.
Model symulacyjny i eksperymentalny przekształtnika solarnego…
97
Rys. 2. Rodzina charakterystyk prądowo-napięciowych zespołu ogni
fotowoltaicznych [1]
3. OBWÓD STAŁOPRĄDOWY DC/DC SYSTEMU
SOLARNEGO
3.1. Część silnoprądowa
Ze względu na przyjęty zakres napięć wyjściowych ogniw fotowoltaicznych PV
(150 V – 450 V) oraz wymaganą minimalną wartość napięcia na szynie DC, która
powinna być w rozważanym przypadku większa od amplitudy napięcia sieciowego,
część silnoprądowa przekształtnika DC/DC bazuje na układzie impulsowym typu
BOOST (rys. 3).
Rys. 3. Schemat ideowy przekształtnika DC/DC typu BOOST
98
M. Krystkowiak, A. Gulczyński
Zadaniem tego przekształtnika jest podwyższanie wartości napięcia wyjściowego
zespołu paneli fotowoltaicznych i dostarczanie (doładowywanie) zespołu kondensatorów wchodzących w skład obwodu pośredniczący DC/DC. Na rysunku 3 pominięto
zaimplementowaną w układzie docelowym tzw. diodę bypass. Umożliwia ona przekazywanie energii z ogniw PV do kondensatorów wejściowych falownika sieciowego
z pominięciem układu typu BOOST. Sytuacja ta jest jednak możliwa tylko wtedy, kiedy
wartość chwilowa napięcia wyjściowego ogniw PV jest wyższa od wymaganej wartości
napięcia na kondensatorach wejściowych przekształtnika sieciowego (falownika
o sinusoidalnym prądzie sieci).
3.2. Algorytm sterowania przekształtnikiem BOOST
systemu solarnego – algorytm MPPT
Zadaniem przekształtnika DC/DC typu BOOST jest podwyższenie wartości
napięcia wejściowego i dostarczanie (doładowywanie) zespołu kondensatorów stanowiących
obwód pośredniczący DC/DC, z którego zasilany jest prostownik (falownik) sieciowy.
W celu uzyskania możliwie wysokiej efektywności wykorzystania zasobów energetycznych paneli fotowoltaicznych PV opracowano, a następnie zaimplementowano
w układzie sterowania przekształtnikiem BOOST algorytm MPPT [2, 3]. Jego schemat
blokowy zaprezentowano na rysunku 4.
Rys. 4. Schemat blokowy opracowanego algorytmu MPPT (Maximum
Power Point Tracking)
Model symulacyjny i eksperymentalny przekształtnika solarnego…
99
W opracowanym algorytmie wydzielono dwie główne pętle. Pierwsza pętla
odpowiedzialna jest za modyfikację współczynnika wypełnienia impulsów (PWM)
załączających klucz (T) części silnoprądowej przekształtnika BOOST (rys. 3). Proces
ten odbywa się w określonych odstępach czasu oznaczonych jako (PWM TIME) i jest
zależny od drugiej pętli, która decyduje o kierunku zmian współczynnika wypełnienia o
pewną stałą wartość zdefiniowaną jako (PWM).
Zadaniem drugiej pętli algorytmu jest poszukiwanie maksymalnej mocy, jaką
można uzyskać w określonym punkcie pracy systemu. W zależności od wyniku
porównania wartości mocy wyjściowej (Pout) dla bieżącego punktu pracy ogniwa PV z
wcześniej wyznaczoną wartością maksymalną, układ sterowania decyduje o kierunku
zmian współczynnika wypełnienia impulsów oraz poszukuje nowego maksimum mocy.
Porównanie to jest przeprowadzane z okresem określonym, jako (MPPT TIME).
Należy zaznaczyć, że zadaniem układu sterowania przekształtnikiem DC/DC nie
jest stabilizacja napięcia w obwodzie pośredniczącym. Zadanie to spełnia regulator,
który został zaimplementowany w układzie sterowania przekształtnikiem (falownikiem)
sieciowym.
4. STRUKTURA ORAZ ALGORYTM STEROWANIA
FALOWNIKIEM SIECIOWYM
4.1. Obwód części silnoprądowej
Falownik sieciowy (prostownik w trybie pracy falownikowej) – odpowiedzialny
bezpośrednio za przekazywanie energii do sieci energetycznej – bazuje na tranzystorowym mostku H z indukcyjnym filtrem wyjściowym. Schemat ideowy układu zaprezentowano na rysunku 5.
Rys. 5. Schemat ideowy falownika sieciowego
100
M. Krystkowiak, A. Gulczyński
Układ ten przekazuje energię z baterii kondensatorów obwodu pośredniczącego (ładowanych za pośrednictwem przekształtnika typu BOOST) do sieci, przy jednoczesnym
zapewnieniu prądu sieci o przebiegu możliwie dobrze zbliżonym do sygnału sinusoidalnego oraz braku generacji mocy biernej.
Należy zaznaczyć, że poprawna praca tego układu możliwa jest tylko pod
warunkiem, że wartość chwilowa napięcia w obwodzie pośredniczącym DC jest większa od
wartości amplitudy napięcia sieci. Bazując na definicji prądów aktywnych [4] opracowano układ sterowania falownikiem sieciowym pracującym w regulacji nadążnej prądu
umożliwiającym regulację oraz stabilizację napięcia na kondensatorach stałoprądowego
obwodu pośredniczącego [5]. Należy zaznaczyć, że funkcji tej nie spełnia – w opisywanym przypadku – układ sterowania pracą przekształtnika typu BOOT. Realizuje on
jedynie algorytm MPPT.
4.2. Algorytm sterowania
falownikiem sieciowym
Stabilizacja napięcia na szynie DC jest konieczna dla poprawnej pracy układu.
W przypadku jej braku napięcie to zmienia się w sposób niekontrolowany – w zależności m.in. od wartości energii dostarczanej z ogniw PV poprzez układ BOOST. W prezentowanym rozwiązaniu funkcja ta jest realizowana poprzez zmianę amplitudy prądu
zadanego prostownika sieciowego [5]. Dzięki temu możliwa jest regulacja ilości energii
(mocy czynnej) oddawanej do sieci, a w konsekwencji stabilizacja wartości napięcia
w obwodzie pośredniczącym. Schemat blokowy, prezentujący ideę działania układu
sterowania falownikiem sieciowym zaprezentowano na rysunku 6.
Rys. 6. Schemat blokowy układu sterowania falownikiem sieciowym
Blok w postaci regulatora napięcia DC odpowiada za wyznaczenie amplitudy
prądu referencyjnego sieci isref (t). Natomiast układ synchronizacji sygnału referencyjnego z napięciem sieci pełni funkcję generatora sygnału sinusoidalnego o jednostkowej
amplitudzie, który jest przesunięty względem napięcia sieci w fazie o 180 stopni elektrycznych w celu zapewnienia pracy falownikowej przy teoretycznie zerowej wartości mocy
biernej.
Zadaniem kolejnego bloku w postaci układu regulacji nadążnej prądu sieci jest
zapewnienie generacji prądu sieci o kształcie, jak najbardziej zbliżonym do sygnału
zadanego isref(t).
101
Model symulacyjny i eksperymentalny przekształtnika solarnego…
5. WYBRANE WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH
I EKSPERYMENTALYCH
Wstępne badania symulacyjne oraz eksperymentalne przeprowadzono dla jednofazowej wersji układu. Model symulacyjny zaprojektowano wykorzystując pakiet oprogramowania Orcad firmy Cadence. Na podstawie uzyskanych wyników badań symulacyjnych potwierdzono poprawność funkcjonowania proponowanego rozwiązania części
silnoprądowej oraz sterującej układu przekształtnikowego. Przykładowy przebieg prądu
fazowego sieci (wynik uzyskany na drodze symulacji) odznaczający się niską zawartością wyższych harmonicznych (wartość współczynnika THD wynosiła 1,2%) zaprezentowano na rysunku 7. W torze sterowania falownikiem sieciowym zastosowano
algorytm modulacji jednobiegunowej (częstotliwość impulsowania przyjęto na poziomie 12 kHz). Regulator prądu sieci wchodzący w skład bloku układu regulacji nadążnej
prądu (rys. 6) bazuje w analizowanym przypadku na niekonwencjonalnej strukturze
będącej połączeniem dolno- i górnoprzepustowych filtrów typu IIR [5, 6], co odpowiadało zaimplementowanemu algorytmowi sterowania w modelu eksperymentalnym.
20A
10A
0A
-10A
-20A
20ms
I(V58)
24ms
28ms
32ms
36ms
40ms
44ms
48ms
52ms
56ms
60ms
Time
Rys. 7. Przebieg prądu sieciowego generowanego przez falownik
Badania eksperymentalne wersji jednofazowej układu przeprowadzono wykorzystując m.in. przekształtnik typu LABINVERTER P3-5.0/550MFE [7] i zestaw
uruchomieniowy DSP typu ALS-G3-1369 [8] wyposażony w zmiennopozycyjny
procesor sygnałowy SHARC ADSP-21369 firmy Analog Devices, a także zasilacz
laboratoryjny napięcia stałego z regulowanym ograniczeniem napięcia i prądu wyjściowego (emulujący pracę ogniwa fotowoltaicznego). Ze względu na dużą dynamikę
działania układu ograniczenia mocy wyjściowej zasilacza część badań przeprowadzono
z wyłączoną tą jego funkcją, zastępując ją szeregowo włączonym z jego wyjściem
rezystorem. Dzięki temu możliwa była weryfikacja poprawności działania algorytmu
MPPT – sprawdzanie spełnienia warunku dopasowania wartości mocy oddawanej przez
układ do maksymalnej mocy generowanej przez „ogniwo". W końcowej fazie badań
laboratoryjnych zasilacz zastąpiono rzeczywistymi ogniwami fotowoltaicznymi.
102
M. Krystkowiak, A. Gulczyński
Rys. 8. Stanowisko laboratoryjne – widok ogólny przy pracy z zasilaczem laboratoryjnym emulującym działanie ogniwa PV
Poniżej zaprezentowano przykładowe zestawienie otrzymanych wyników eksperymentalnych:
 wartość średnia napięcia wyjściowego paneli fotowoltaicznych: 233 V,
 wartość skuteczna napięcia sieciowego: 230 V,
 wartość mocy czynnej oddawanej do sieci: 940 W,
 wyznaczona (maksymalna) sprawność systemu: 96%.
Badania eksperymentalne potwierdziły poprawność funkcjonowania układu oraz umożliwiły dostrojenie nastaw stałych czasowych algorytmu MPPT. Należy przy tym zaznaczyć, że w celu poprawnego funkcjonowania niniejszego algorytmu częstotliwość
wykonywania pętli odpowiedzialnej za zmianę współczynnika wypełnienia powinna
być większa niż częstotliwość wykonywania pętli decydującej o kierunku zmian współczynnika wypełnienia impulsów załączających.
6. PODSUMOWANIE
W ramach badań sprzęgu DC/AC zespołu ogniw fotowoltaicznych i przesyłowej sieci energetycznej opracowano modele symulacyjny i eksperymentalny układu
sterowania oraz części silnoprądowej. Uzyskane wyniki potwierdziły poprawność przyjętych
założeń teoretycznych, co z kolei pozwoliło na zgodne z nimi funkcjonowanie całego
systemu.
W ramach kolejnych etapów badań przewiduje się modyfikację, umożliwiającą
m.in. polepszenie współczynnika sprawności – zwłaszcza przy pracy układu z mocą
mniejszą niż znamionowa. Przewiduje się również prace nad optymalizacją algorytmu
MPPT pod kątem zwiększenia dokładności i szybkości śledzenia dysponowanej
wartości mocy wyjściowej paneli PV. Planowane są ponadto prace mające na celu m.in.
eliminację, bądź ograniczenie zjawiska związanego z przepływem niepożądanego prądu
na skutek obecności pojemności pasożytniczej między powierzchnią paneli a podłożem.
Problem ten nie jest jednak przedmiotem niniejszego artykułu.
Model symulacyjny i eksperymentalny przekształtnika solarnego…
103
LITERATURA
1. http://solaris18.blogspot.com/2012/01/panel-fotowoltaiczny-punkt-mocy.html [dostęp 10.2014].
2. Krystkowiak M., Gulczyński A.: Budowa oraz algorytm sterowania przekształtnika energoelektronicznego zaimplementowanego w niekonwencjonalnym systemie mini elektrowni
wodnej dedykowanej dla jednostek jachtowych, Poznan University of Technology Academic
Journals, zeszyt 80, s. 27-34, 2014.
3. Krystkowiak M., Gulczyński A.: Budowa i zasada działania modelu eksperymentalnego mini
elektrowni wodnej dedykowanego dla jednostek jachtowych, PES-9, Kościelisko, s. 133136, 2014.
4. Fryze S.: Moc rzeczywista, urojona i pozorna w obwodach elektrycznych o przebiegach
odkształconych prądu i napięcia, Przegląd Elektrotechniczny, nr 7 i 8, 1931.
5. Krystkowiak M.: Rozprawa doktorska, pt.: Układ prostownikowy mocy o polepszonych
wskaźnikach z energoelektronicznym modulatorem prądu, Politechnika Poznańska, 2009.
6. Gwóźdź M., Krystkowiak M.: Control system of power electronics current modulator
utilized in diode rectifier with sinusoidal power grid current, Przegląd Elektrotechniczny,
nr 7, 2009.
7. ALFINE-TIM: Dokumentacja techniczna: Laboratoryjny przekształtnik 3-fazowy typu P35.0/550MFE LABINVERTER wer.1.10.
8. Analog Devices: Data Sweet Final – SHARC Processor. ADSP-21369, Rev. D.
Przyjęto do druku dnia 02.03.2016 r.
SIMULATION AND EXPERIMENTAL MODELS
OF SOLAR CONVERTER WORKING WITH POWER GRID
Michał KRYSTKOWIAK, Adam GULCZYŃSKI
ABSTRACT
In this paper, the elaborated structures of the main
circuit and control circuit of the power electronics converter working as a
coupling between an energetic grid and photovoltaic panels were presented.
The described solution is characterized by very good quality parameters of
the transformed energy. To obtain a current network, which is very similar
to a sine wave, the inverter working in a current tracking controller mode
was used. Additionally the elaborated MPPT (Maximum Power Point
Tracking) algorithm was described. With help of this algorithm the highest
possible efficiency of the whole system was achieved. The chosen
simulation and experimental results of research were analyzed.
Keywords: photovoltaic PV, inverter, BOOST, MPPT algorithm
104
M. Krystkowiak, A. Gulczyński
Dr inż. Michał KRYSTKOWIAK w latach 1996 – 2001
studiował na Wydziale Elektrycznym Politechniki Poznańskiej. W 2001
roku ukończył z wyróżnieniem studia magisterskie (specjalizację Energoelektronika i Napęd Elektryczny). W tym samym roku podjął pracę
na Politechnice Poznańskiej na stanowisku asystenta. W 2009 r. uzyskał
stopień doktora nauk technicznych w zakresie Elektrotechniki i specjalności Energoelektronika oraz awansował na adiunkta. W ciągu ostatnich
lat zajmował się m.in. tematyką modulacji prądów w układach prostownikowych mocy i aktywnych filtrach równoległych, a także przekształtnikami energoelektronicznymi implementowanymi w systemach wykorzystujących źródła energii
odnawialnej (nawiązując jednocześnie współpracę z firmami zewnętrznymi).
Mgr inż. Adam GULCZYŃSKI w latach 2006 – 2011 studiował
na Politechnice Poznańskiej. W roku 2011 ukończył studia II stopnia na
kierunku Elektrotechnika (specjalność Mikroprocesorowe Systemy sterowania w Elektrotechnice) oraz studia I stopnia na kierunku Matematyka
(specjalność Modelowanie Matematyczne). Obecnie jest asystentem
w Zakładzie Energoelektroniki i Sterowania, Instytutu Elektrotechniki
i Elektroniki Przemysłowej, Politechniki Poznańskiej. Zajmuje się projektowaniem układów elektronicznych i energoelektronicznych oraz tworzeniem
ich oprogramowania.